一种闭环经颅脑刺激系统及方法技术方案

本申请提供一种闭环经颅脑刺激系统及方法，包括经颅超声信号发生模块、经颅超声刺激模块、脑肌电信号采集处理模块及电极模块；电极模块用于采集实验对象的脑肌信号；脑肌电信号采集处理模块配置用于采集电极模块的信号，并进行信号处理后向经颅超声信号发生模块发送检测信号；经颅超声信号发生模块配置用于接收检测信号，根据检测信号按照调节策略生成刺激信号，将刺激信号发送至经颅超声刺激模块；经颅超声刺激模块配置用于根据刺激信号向实验对象发射超声刺激。本申请的有益效果是：经颅超声信号发生模块根据电极模块采集的脑肌信号按照系统期望值通过配置策略调整经颅超声刺激模块下次对实验对象的信号参数，达到经颅脑刺激的闭环控制。

【技术实现步骤摘要】
一种闭环经颅脑刺激系统及方法
本公开涉及经颅超声刺激
，具体涉及一种闭环经颅脑刺激系统及方法。
技术介绍
近几年，随着电子技术的快速发展，电刺激器产品的发展也非常迅速。这些电刺激器经历了早期分立式器件制作，到如今植入式、微型化设计，无论从体型还是功能方面都得到了很大的进步。常用的有用于临床心脏或者大脑等的刺激器，如心脏起搏器和脑起搏器等专用刺激器，还有科研中常用的通用型刺激器。虽然有些电刺激器已经进入临床适用阶段，也获得了很好的治疗效果，但是在某些特殊应用领域主要还存在以下一些问题：现今通用的电刺激器一般都不能根据生理信号的变化来自动产生刺激，主要是通过预先设定的刺激模式，在人为规定的时刻发出刺激信号。但是在有些应用场合，比如大脑学习记忆机制研究中，需要在脑电节律的特定相位进行电刺激，以产生不同的效应，如长时程增强或者长时程抑制等。就是说现今通用的刺激方法都不能形成一个完整的闭环，无法自主调节控制参数。近年来，脑刺激技术，如深部脑刺激、光遗传刺激和经颅磁刺激等迅速发展(Krausetal.，2016；米洛舍维奇等人，2018年；张震等，2018)。与开环脑刺激相比，闭环脑刺激可以通过大脑状态实时进行脑神经调节，实现有针对性的按需刺激(Mulleretal.，2012；Cagnan等人，2017年；周等，2019)。对记忆和学习机制的研究表明，在神经振荡的特定阶段对脑组织的刺激会产生不同的效果，如长期增强或长期抑制(Hymanetal.，2003；Ezzyat等人，2018年)。经颅超声刺激(TUS)是一种物理神经调节技术，无创、穿透深度大，空间分辨率高(Bystritsky等，2011；Fomenko等人，2018年)。TUS引起了人们的极大关注，并已被用于大量动物和人类实验(Bystritsky和Korb，2015；牛等，2018；于等，2019)。然而，所有TUS方法都以开环模式提供大脑刺激，这种模式在人工规定的时间发出刺激信号，并且不能根据大脑组织生理信号的变化自动产生刺激。这种开环方法不具备实时处理的特性，它属于离线分析的一类。因此，我们需要一种可以实时采集并处理的方法，闭环控制是这类刺激应用的一个亟待发展的方向，它可以根据大脑的电活动状态，在特定时间施加超声刺激，闭环经颅超声刺激方法对揭示神经信息处理机制和优化神经疾病的治疗具有重要意义。
技术实现思路
本申请的目的是针对以上问题，提供一种闭环经颅脑刺激系统及方法。第一方面，本申请提供一种闭环经颅脑刺激系统，包括经颅超声信号发生模块、经颅超声刺激模块、脑肌电信号采集处理模块及电极模块；所述电极模块电连接至实验对象上，用于采集实验对象的脑肌信号；所述脑肌电信号采集处理模块与电极模块电连接，经颅超声信号发生模块与脑肌电信号采集处理模块电连接，经颅超声刺激模块与经颅超声信号发生模块电连接；所述脑肌电信号采集处理模块配置用于采集电极模块的信号，并进行信号处理后向经颅超声信号发生模块发送检测信号；所述经颅超声信号发生模块配置用于接收所述检测信号，根据检测信号按照调节策略生成刺激信号，将刺激信号发送至经颅超声刺激模块；所述经颅超声刺激模块配置用于根据刺激信号向实验对象发射超声刺激。根据本申请实施例提供的技术方案，所述脑肌电信号采集处理模块包括前端放大器、微电极AC放大器、神经信号处理器及第一计算单元；所述前端放大器与电极模块电连接，用于对接收的电极模块发送的脑肌信号进行信号放大，并将放大后信号发送至微电极AC放大器；所述微电极AC放大器配置用于对脑肌信号进行放大和滤波处理，并将处理后信号发送至神经信号处理器；所述神经信号处理器配置用于将脑肌信号转化为相应的数字信号，并将转换后的数字信号发送至第一计算单元；所述第一计算单元配置用于对数字信号进行信号处理，并将处理后的信号发送至经颅超声信号发生模块。根据本申请实施例提供的技术方案，所述经颅超声信号发生模块包括第二计算单元及射频放大器；所述第二计算单元接收第一计算单元发送的信号，并将其按照配置策略生成控制波形信号；所述射频放大器将控制波形信号进行放大处理，并将处理后的控制信号发送至经颅超声刺激模块。根据本申请实施例提供的技术方案，所述经颅超声刺激模块包括超声换能器及准直器；所述超声换能器配置用于将所述射频放大器发送的控制信号使能为超声波输出；所述准直器固定连接在超声换能器的输出端，配置用于将超声波输出限定在设定范围内向实验对象发射。根据本申请实施例提供的技术方案，所述电极模块模块包括脑电电极及肌电电极，所述脑电电极配置用于采集实验对象的脑电信号，肌电电极配置用于采集实验对象的肌电信号；所述脑电电极包括三路，其中的一路电极插在实验对象的颅骨上，另两路电极插接在实验对象鼻骨上作为参考电极；肌电电极包括三路，其中一路电极插在实验对象尾巴中部皮下，另两路分别插在实验对象的两只后爪上作为参考电极。根据本申请实施例提供的技术方案，所述第一计算单元及第二计算单元均内置有PCI-5122数字信号采集卡及PCI-5412波形发生器。第二方面，本申请提供一种闭环经颅脑刺激方法，包括以下步骤：电极模块采集实验对象的原始脑肌信号，并将其发送至脑肌电信号采集处理模块；脑肌电信号采集处理模块将接收的原始脑肌信号进行初步处理，得到第一脑肌信号，并将其发送至经颅超声信号发生模块；经颅超声信号发生模块将接收的第一脑肌信号进行数据处理，按照配置策略形成控制信号，并将其发送至经颅超声刺激模块；经颅超声刺激模块根据接收的控制信号向实验对象的预设区域使能超声波刺激。根据本申请实施例提供的技术方案，所述电极模块采集实验对象的原始脑肌信号，具体包括：将脑电电极连接至实验对象的脑部预设部位，将肌电电极连接至试验对象的身体预设部位，脑电电极采集实验对象的脑电信号，肌电电极采集实验对象的肌电信号。根据本申请实施例提供的技术方案，所述脑肌电信号采集处理模块将接收的原始脑肌信号进行初步处理，得到第一脑肌信号，具体包括以下步骤：将原始脑肌信号经过前端放大器进行信号放大；经微电极AC放大器进行差分放大器及滤波；经神经信号处理器将模拟信号转化为数字信号；经第一计算单元先进行滤波后进行希尔伯特变换，取包络求得脑电信号峰值、肌电信号平均值形成所述第一脑肌信号。根据本申请实施例提供的技术方案，所述经颅超声信号发生模块将接收的第一脑肌信号进行数据处理，按照配置策略形成控制信号，具体包括以下步骤：将第一脑肌信号与设定的期望值进行比较，得到绝对误差和相对误差；将绝对误差及相对误差输入控制算法中，得到所述控制信号，所述控制信号包括对超声波的幅值、时长的控制信号。本专利技术的有益效果：本申请提供一种闭环经颅脑刺激系统及方法，电极模块用于检测实验对象的脑肌信号，脑肌电信号采集处理模块采集了脑肌信号后经过初步的处理将其发送至经颅超声信号发生模块，经颅超声信号发生模块根据脑肌信号按照系统期望值通过配置策略调整经颅超声刺激模块下次对实验对象的信号参本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种闭环经颅脑刺激系统，其特征在于，包括经颅超声信号发生模块、经颅超声刺激模块、脑肌电信号采集处理模块及电极模块；所述电极模块电连接至实验对象上，用于采集实验对象的脑肌信号；所述脑肌电信号采集处理模块与电极模块电连接，经颅超声信号发生模块与脑肌电信号采集处理模块电连接，经颅超声刺激模块与经颅超声信号发生模块电连接；/n所述脑肌电信号采集处理模块配置用于采集电极模块的信号，并进行信号处理后向经颅超声信号发生模块发送检测信号；/n所述经颅超声信号发生模块配置用于接收所述检测信号，根据检测信号按照调节策略生成刺激信号，将刺激信号发送至经颅超声刺激模块；/n所述经颅超声刺激模块配置用于根据刺激信号向实验对象发射超声刺激。/n

【技术特征摘要】
1.一种闭环经颅脑刺激系统，其特征在于，包括经颅超声信号发生模块、经颅超声刺激模块、脑肌电信号采集处理模块及电极模块；所述电极模块电连接至实验对象上，用于采集实验对象的脑肌信号；所述脑肌电信号采集处理模块与电极模块电连接，经颅超声信号发生模块与脑肌电信号采集处理模块电连接，经颅超声刺激模块与经颅超声信号发生模块电连接；
所述脑肌电信号采集处理模块配置用于采集电极模块的信号，并进行信号处理后向经颅超声信号发生模块发送检测信号；
所述经颅超声信号发生模块配置用于接收所述检测信号，根据检测信号按照调节策略生成刺激信号，将刺激信号发送至经颅超声刺激模块；
所述经颅超声刺激模块配置用于根据刺激信号向实验对象发射超声刺激。


2.根据权利要求1所述的闭环经颅脑刺激系统，其特征在于，所述脑肌电信号采集处理模块包括前端放大器、微电极AC放大器、神经信号处理器及第一计算单元；
所述前端放大器与电极模块电连接，用于对接收的电极模块发送的脑肌信号进行信号放大，并将放大后信号发送至微电极AC放大器；
所述微电极AC放大器配置用于对脑肌信号进行放大和滤波处理，并将处理后信号发送至神经信号处理器；
所述神经信号处理器配置用于将脑肌信号转化为相应的数字信号，并将转换后的数字信号发送至第一计算单元；
所述第一计算单元配置用于对数字信号进行信号处理，并将处理后的信号发送至经颅超声信号发生模块。


3.根据权利要求2所述的闭环经颅脑刺激系统，其特征在于，所述经颅超声信号发生模块包括第二计算单元及射频放大器；
所述第二计算单元接收第一计算单元发送的信号，并将其按照配置策略生成控制波形信号；
所述射频放大器将控制波形信号进行放大处理，并将处理后的控制信号发送至经颅超声刺激模块。


4.根据权利要求3所述的闭环经颅脑刺激系统，其特征在于，所述经颅超声刺激模块包括超声换能器及准直器；
所述超声换能器配置用于将所述射频放大器发送的控制信号使能为超声波输出；
所述准直器固定连接在超声换能器的输出端，配置用于将超声波输出限定在设定范围内向实验对象发射。


5.根据权利要求4所述的闭环经颅脑刺激系统，其特征在于，所述电极模块模块包括脑电电极及肌电电极，所述脑电电极配置用于采集实验对象的脑电信号，...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁毅，吴永康，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13